靜電分絲器對薄型PET紡粘產品均勻度的影響

劉 力，張初陽

（東華大學，上海201620）

PET紡粘非織造布由于在斷裂伸長率、抗拉強力、撕裂強力等力學性能方面表現突出，使得其廣泛應用于民用、醫用、產業用等方面［1－3］。而在紡絲成網工藝中，熔體經過拉伸后所形成的長絲須在極短的時間內鋪設成網，其長絲運動的速度達千米級，纖維束中的纖維相互粘結并絲傾向嚴重［4］，在該過程中由于速度快、距離短，想要通過控制氣流來達到均勻分絲的目的存在很大難度。目前在非織造工藝技術中，采用機械分絲和氣流分絲的方法來提高薄型PET紡粘產品均勻度的現象較為普遍，但對于較為先進的，并且在國外早已有相關專利公布并且用于實際生產［5－8］的靜電分絲器了解甚少，在國內針對靜電分絲器的學術研究罕見報道，嚴重阻礙了靜電分絲器在國內的應用。本文選用面密度CV值作為表征產品均勻度的指標，通過正交試驗設計研究了靜電電壓、電流和放電針板與接地輥之間的距離對產品均勻度的影響得出，靜電電壓是影響靜電分絲器效果的最主要的因素。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與裝置

高壓靜電發生器，放電針板，接地輥，大狹縫紡粘機器，PET長絲，AL104電子天平。

1.2 靜電分絲器的原理

靜電分絲器是由與高壓靜電發生器相連的裝有放電針排的放電針板和與地相接的以一定速度旋轉的接地輥組成。由于接地輥接地電勢為零，當高壓靜電發生器接通電源時，由于電勢差的存在，使它們之間產生了一個高壓靜電場，空氣中大量的自由電子在高壓靜電場的作用下受力加速，撞擊周圍的氣體原子。當電場強度達到氣體電離的閥值時，受高壓強電場加速運動的自由電子會擁有足夠能量從氣體原子中撞擊出電子而產生新的離子，此時局部空氣開始電離［9］。由于電子于空氣中粒子的碰撞過程中發生激發、復合過程，在這個過程中會輻射大量的光子，宏觀表現為黑暗中的藍色暈光及嘶嘶的聲音，即電暈［10］。靜電分絲器就是利用高壓電場條件下產生的電暈放電現象，在這個過程中，一方面局部空氣存在大量電荷，這些電荷雪崩式地與其它粒子發生碰撞；另一方面，PET長絲在是在放電針板與接地輥之間，由于PET電性質相同，在這個區域內會吸引電離出來的與其電性值相反的離子，使其吸附在PET長絲上，當PET長絲表面上所擁有的電荷數足夠多時，會使得PET長絲在靜電力的作用下，相互之間發生移動，靜電力與電荷關系表現如下：

式中：K 為常數；Q1、Q2為電荷電量，是一個矢量；R為電荷之間的距離。

當F為正數，兩電荷相互靠近時表現為斥力，兩電荷有相互遠離對方的趨勢；當F為負數，兩電荷相互靠近時表現為引力，兩電荷有相互吸引的趨勢；另一方面，當Q1、Q2都帶等量同種電荷時，R越小，F越大；R越大，F越小，即間距小的兩電荷所受斥力大；間距大的兩電荷所受的斥力小。因此，在PET絲束都帶著等量的同種電荷條件下，距離較遠的絲束之間的斥力較小，絲束之間因斥力而發生移動的幅度較小；距離較近的絲束之間的斥力較大，絲束之間因斥力而發生移動的幅度較大［8］。

1.3 PET紡粘非織造布的制備

生產PET紡粘非織造布的設備為擁有3m長大狹縫紡粘機器，靜電分絲器安裝在大狹縫牽伸器的入口上方（見圖1）；靜電分絲器由與高壓靜電發生器相連的裝有放電針排的放電針板和與地相接的接地輥組成。接地輥以一定的速度勻速轉動以便及時轉移電荷，避免電荷過于集中而影響分絲效果，PET長絲穿過放電針板與接地輥中間區域不與之相接觸（見圖2、圖3）。

圖1 紡粘工藝圖

圖2 靜電分絲器示意圖

生產的主要工藝流程：熔融擠壓→計量→噴絲→側吹風冷卻→靜電分絲器分絲→氣流牽伸→成網→熱軋。

1.4 實驗設計

本實驗采用L9（34）正交試驗優化設計。考慮靜電分絲器電壓、電流、放電針板與接地輥之間的距離，以及成網高度對靜電分絲器分絲效果的影響程度，采用4因素3水平實驗設計，另一方面由于工廠生產的限制，整個實驗過程保持成網高度不變為500mm，重點研究電壓、電流和放電針板與接地輥之間距離對分絲效果的影響。

圖3 靜電分絲器照片

表1 L9（34）因素水平表

1.5 樣品測試

根據正交試驗優化設計，本文進行了9次試驗，收集了在各種電壓、電流和間距條件下所生產的試驗布樣9塊（120cm×120cm），每塊布樣被平均分為36塊小布樣，對每一塊小布樣進行面密度測試，同時還對一塊未加電壓的布樣（120cm×120cm）進行了測試作為對比。

2 實驗結果與分析

2.1 產品面密度CV值

將測試所得各樣品面密度數據進行統計處理，分別計算0＃～9＃這10個樣品的面密度的分布情況。根據計算所得，按面密度CV值遞增順序排列結果為：7＃、9＃、8＃、5＃、6＃、4＃、2＃、3＃、1＃，0＃，CV值越大，說明分析對象分布越分散，即面密度CV越大，越不均勻。其中0＃是未經靜電分絲器分絲生產的樣品，它的面密度CV值最大，因此它的均勻度最差，7＃樣品均勻度表現最佳（見圖4）。

2.2 正交試驗分析

本實驗的試驗號與樣品號相對應，根據正交試驗分析表（見表2），可得電壓對產品均勻度的影響最顯著，其次是放電針板與接地輥間距D1，電流次之。同時，由于面密度CV值越小，其產品均勻度越好，可得最佳工藝參數為電壓26kV，電流1mA，間距50mm。

圖4 0＃～9＃試樣均勻度分布情況

表2 L9（34）正交試驗分析

電壓之所以是對產品均勻度影響最顯著的因素，是因為在靜電分絲器系統中，電壓是由直流靜電分絲器提供，是唯一的能量來源，它的改變直接影響到靜電場的情況，是最敏感的因素；而放電針板與接地輥之間的距離作為第二個敏感因素是因為根據公式（2）可知，當電壓U一定時，間距D就成了影響靜電場強的關鍵因素了；對于直流電流，在本實驗中，可以將它看作是一個表征指標存在。

根據9組實驗可得產品均勻度與電壓之間的關系（見圖5），在本實驗中，產品的均勻度是與直流電靜電電壓成正比的，電壓越高，產品均勻度表現越優秀，這是因為當電壓升高時，靜電場強變大，場強中電離和遭受碰撞的粒子越多，PET長絲吸附的帶點電荷的概率就越大，PET長絲之間受到的斥力就越大，分絲就越明顯，均勻度改善越好。

圖5 均勻度－電壓之間的關系

2.3 實驗驗證

在靜電電壓為26kV，電流1mA，間距50 mm時，生產第10＃PET紡粘非織造布，尺寸為120cm×120cm，并將其平均分成20cm×20cm尺寸共36小塊試樣，分別測試其面密度，得到其面密度CV值為1.823%，該條件下產品均勻度表現最優（見圖6）。

圖6 0＃～10＃試樣均勻度分布情況

3 結論

3.1 靜電分絲器能明顯改善薄型PET紡粘非織造產品均勻度。

3.2 靜電分絲器的三個工藝參數中：電壓、電流和放電針板與接地輥間距，按照其對產品均勻度影響的顯著程度從高到低依次排列為：電壓、電流、放電針板與接地輥間距。

3.3 實際應用時，重點控制電壓，電壓為整個裝置唯一的能量來源，對產品的均勻度有著直接的影響。

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